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Männer sind anders, Frauen auch - ähnliches gilt auch für die Pflanzenwelt. Auch hier spielen die Unterschiede zwischen den Geschlechtern eine Rolle, speziell was die Weitergabe von Erbanlagen betrifft. Anders als die Gene im Zellkern werden die in Chloroplasten enthaltenen Gene bei den meisten Pflanzen nur von der Mutter vererbt. Dies könnte die Sicherheit beim Einsatz gentechnisch veränderter Pflanzen verbessern. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie haben nun bestätigt, dass sich mit der Chloroplasten- transformation veränderte Gene nur äußerst selten von Kulturpflanzen auf solche in Nachbarkulturen oder auf Wildpflanzen überspringen: Manipulieren sie nur die Erbinformation in den Chloroplasten männlicher Gewächse, tragen nur sehr wenige Pollen die genetische Änderung - so dass das Risiko, die Genvarianten in der Nachbarschaft zu verteilen, auf ein Minimum sinkt. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 9. April 2007)

Abb. 1 Der grüne Keimling ist gegen ein sonst tödliches Antibiotikum resistent. Erworben hat die Pflanze die Resistenz über die Erbinformation in den Chloroplasten ihrer Vaterpflanze - ein sehr seltener Prozess. Bild: Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie

Das neue Verfahren beruht auf der gentechnischen Veränderung der Chloroplasten, jener Teile der Zelle, in denen die Photosythese abläuft und die eine eigene, vom Zellkern unabhängige genetische Information enthalten. Da diese und die in ihnen enthaltenen Gene nur von der Mutter weitergegeben werden, bleiben Eigenschaften einer gentechnischen Veränderung auf die weibliche Linie beschränkt. Auf dieser Besonderheit basiert das Verfahren der Chloroplasten- transformation, mit der Stephanie Ruf und ihre Kollegen aus der Forschungsgruppe von Prof. Ralph Bock am Max-Planck-Institut in Golm bei Potsdam das Risiko von Auskreuzungen reduzieren möchten.

Im Mittelpunkt der aktuellen Studie stand die Frage, ob die Gene in den Chloroplasten tatsächlich ausschließlich von der Mutter vererbt werden oder ob sie gelegentlich auch väterlicherseits weitergegeben werden. Dazu gibt es bislang widersprüchliche Erkenntnisse. Als Studienobjekte dienten den Forschern unveränderte weibliche Tabakpflanzen sowie männliche Exemplare, die sie im Chloroplasten-Erbgut mit Resistenzen gegen zwei Antibiotika und mit einem Gen für einen grünen Farbstoff markierten. Diese drei Erkennungsmerkmale wählten sie, um spontane Resistenzen durch Mutation von ererbten Widerstandskräften besser unterscheiden zu können.

Abb. 2 Links: Chloroplasten in der Zelle einer Vaterpflanze, die den grünen Fluoreszenzfarbstoff produzieren, der zum Nachweis verwendet wurde. Rechts: nicht transgene Chloroplasten (rot) der weiblichen Linie. Der weiße Strich am Bildrand repräsentiert 8 µm. Bild: Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie

Als Testobjekte untersuchten die Biologen mehr als zwei Millionen Samen. Sie säten diese zunächst auf Nährböden mit den beiden Antibiotika aus, gegen die ihr Vater in seinen Chloroplasten eingebaute Resistenzen trug. Dann untersuchten die Wissenschaftler die Keimlinge, die in diesem für Tabakpflanzen ohne Antibiotika tödlichen Ambiente gediehen waren, unter dem Mikroskop auf den grünen Farbstoff. Nur 39 Samen blieben übrig, die alle drei Merkmale enthielten. Dieses Ergebnis entspricht einer Wahrscheinlichkeit für die Weitergabe von weniger als einem 50 000stel. Damit bestätigten sie, dass die Chloroplastentransformation ein zuverlässiges Verfahren darstellt, um die Wahrscheinlichkeit von Auskreuzungen in Tabak zu verringern.
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Originalveröffentlichung:

Stephanie Ruf, Daniel Karcher, und Ralph Bock
Determining the transgene containment level provided by chloroplast transformation
Stephanie Ruf, Daniel Karcher, and Ralph Bock
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Am Mühlenberg 1, D-14476 Potsdam-Golm, Germany
Edited by Maarten Koornneef, Wageningen University and Research Centre, Wageningen, The Netherlands, and approved February 28, 2007 (received for review January 2, 2007)
Proceedings of the National Academy of Sciences, 9. April 2007

ABSTRACT

Plastids (chloroplasts) are maternally inherited in most crops. Maternal inheritance excludes plastid genes and transgenes from pollen transmission. Therefore, plastid transformation is considered a superb tool for ensuring transgene containment and improving the biosafety of transgenic plants. Here, we have assessed the strictness of maternal inheritance and the extent to which plastid transformation technology confers an increase in transgene confinement. We describe an experimental system facilitating stringent selection for occasional paternal plastid transmission. In a large screen, we detected low-level paternal inheritance of transgenic plastids in tobacco. Whereas the frequency of transmission into the cotyledons of F1 seedlings was 1.58 x 10-5 (on 100% cross-fertilization), transmission into the shoot apical meristem was significantly lower (2.86 x 10-6). Our data demonstrate that plastid transformation provides an effective tool to increase the biosafety of transgenic plants. However, in cases where pollen transmission must be prevented altogether, stacking with other containment methods will be necessary to eliminate the residual outcrossing risk.

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Source: CropBiotech Update

Chloroplast transformation for improved biosafety in biotech crops

The inheritance of the chloroplasts (the organelles responsible for photosynthesis) in most plants is maternal, as these organelles are not carried by the pollen grains (which produce the sperm cells). The manipulation of the chloroplast genome for crop improvement is therefore considered a very valuable tool for improving the containment of the transgene, and enhancing in this way the biosafety of transgenic plants.

A team of researches led by Ralph Bock from the Max-Planck Institute for Molecular Plant Physiology in Germany have recently evaluated the strictness of maternal inheritance, by measuring the rates at which chloroplasts are transmitted through the pollen. The team reports a low level of paternal inheritance (only 39 seeds were identified with chloroplasts derived from the father plant among over 2 million seeds examined). The results indicate that plastid transformation is a good tool for preventing gene flow. However, in cases where transmission of the transgene through the pollen must be totally prevented, the team recommends adopting additional containment strategies to eliminate the risk of outcrossing. The research is published in the latest issue of PNAS.

Source: GMO Compass

Co-Extra research: Method for biological containment facilitates coexistence

Scientists from the Co-Extra EU research programme have published results that prove the utility of "chloroplast transformation" for the biological containment of genetically modified crops. These results have been published in the peer-reviewed journal PNAS, and demonstrate that this method is suitable to ensure the coexistence of GM and non-GM plants.

In chloroplast transformation, the transgene is integrated in the chloroplasts of the plant cell instead of its nucleus. In some plants, chloroplasts are not inherited from the male, and therefore, transgenes in these plastids cannot be disseminated by pollen, which contains DNA from the nucleus only.

This mechanism was already known, although it was unclear to what extent it is reliable. Co-Extra researchers have now tested more than two million transgenic tobacco seedlings and found that the transgene only is inherited in fewer than 20 of 1,000,000 plants. Due to changes in the plant during maturation, even fewer plants – 3 in 1,000,000 – carry the transgene in their pollen.

Under field conditions, the number of outcrossings may be even lower, since tobacco has a high rate of self-pollination. The Co-Extra researchers stated, however, that a low incidence of outcrossing remains. Thus, the combination with additional biological containment methods is recommended if outcrossing needs to be eliminated completely, as is the case with GM crops used in the production of pharmaceuticals.

- Co-Extra research on transplastomic tobacco

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